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拆下這顆螺絲后,你還相信儀表讀數嗎?

2018-11-14
關鍵詞: 儀表 700PSI underdamped

  一切都是從這句看來單純無害的話開始:“你能幫我們把一顆螺絲拆下來嗎?”

  我猜想是因為那位實驗室成員沒有正確的螺絲起子,這應該會是一件只要花五分鐘就能完成的簡單任務;但我的運氣沒那么好,還動用了碳化合金牙科鉆頭在已經凹陷的螺絲頭上切出一個新的槽,好讓螺絲能順利拆卸。

  而當我拆下螺絲釘,這才發現為何那個實驗想這么做──螺絲鎖住的那臺儀器的外殼下,全是干涸的鹽份以及腐蝕

  在這里我應該要告訴你更多關于這臺儀器的信息,它是用來量測液態樣本的四種物理特性;待測樣本透過獨立的幫浦,以高壓(700PSI)、恒定流速(每分鐘1.0 ml)供應。儀器內的一個烤箱配置了關鍵的傳感器、毛細管、過濾器以及相關的管路,由比例-積分-微分控制器(PID)將溫度控制在攝氏37度。

  我清理了儀器并在一團糟中找到了兩個泄漏腐蝕的閥門,然后用一顆500美元的價格訂購了替換品;在此同時,我還打磨了銹蝕的鋼板表面并重新上漆,以避免進一步被腐蝕。

  把到貨的新閥門安裝好之后,我將系統中的空氣排出,確認沒有泄漏。一開始的測試顯示其中三項量測功能運作良好,但第四項的黏性(viscosity)量測功能卻顯示不穩定的基線:出現了奇怪的正弦波干擾(sinusoidal disturbance),且持續30分鐘。

  那是什么導致了這種干擾?打電話給儀器制造商詢問之后,得到的回答是:“如果有兩個閥門是壞的,那第三個可能也是;”我繞過所有三個閥門,但這個改變沒有什么不同,不是閥門的問題。我又繞過了好幾個其他管路零件,一次一個,正弦波干擾仍頑固地存在。

  仔細閱讀用戶手冊,里面指出系統內未排出的空氣可能導致基線不穩定;但拆卸與清理之后也沒有什么差別。這個測試似乎排除了系統內部空氣這個原因的可能性,而且氣泡怎么會導致正弦波干擾?

  抽離這個難題一個星期時間,能讓我有一些時間可以思考;我再一次自己問自己:“什么原因會導致長時間的正弦波?”會是混迭(aliasing)嗎?不太像,或許根本不是這臺儀器本身的問題;又或許是向儀器供應流體的幫浦,在低流速時有30分鐘的振蕩?一樣不太可能。

  我認為唯一可能導致這種低速干擾的原因與溫度有關,這種想法在稍早之前也曾出現過幾次,但溫度控制器顯示的溫度一直是37°C;或許我不應該信任該讀數。用獨立的溫度計測出那個烤箱的溫度在30分鐘的時間內,呈現42°C至44°C之間的正弦變化;我終于可能找對了方向!

  顯然我是遇到了一個欠阻尼(underdamped)、“臨界穩定”(marginally stable)控制回路--臨界穩控制回路振蕩,振幅不會隨著時間放大或減小(如下圖)。

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  看來是溫度控制器出了問題;在拆解硬件之前,我決定先嘗試軟件解決方案--自動調節控制回路,強迫控制器計算該過程的最佳PID參數;這種重新調整有效,溫度振蕩消失了,黏度量測基線回歸穩定,最后讓使用者十分滿意。

  但是記得在很久以前我上過的第一堂電路設計課程,被教導的是“別自滿于你的電路設計成果,找出它順利運作的原理。”我還是很疑惑為何PID參數必須被改變,我覺得我只是把一個硬件問題掩蓋住了;除此之外,我擔心的問題是烤箱溫度還是比設定點高了6度。

  接著我恍然大悟:似乎是溫度傳感器并沒有在溫度上與烤箱正確耦合,現在看來是拆解硬件的時候了。就是這樣!拆解與檢測顯示,傳感器的固定螺絲不見了,因此溫度傳感器維持在穩定的37°C,不過烤箱溫度卻比較高而且一直振蕩。

  我大概永遠不會知道那顆固定溫度傳感器的螺絲跑去哪了,甚至它何時不見的也不會知道;但正確地將傳感器固定之后,所有的問題都解決了。烤箱的溫度穩定維持在37°C,更重要的是,儀器的黏度量測功能基線也完全穩定了。

  在這個案子學到的教訓是:別相信所有你讀到的,甚至是儀表讀數;還有,如果有一個“錯誤”是長時間常數,在本質上大概就是溫度。


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